an approach to active damping of diesel engine

an approach to active damping of diesel engine

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4
AN APPROACH TO ACTIVE DAMPING OF DIESEL ENGINE
EXHAUST GAS PRESSURE PULSATIONS BY MEANS
OF CONTROLLED INJECTION OF AN AIR STREAM
Krzysztof Snopkiewicz
Andrzej Irzycki
Wiesáaw Wróblewski
Andrzej Cichocki
Instytut Lotnictwa
Al. Krakowska 110/114
02-256 Warszawa
tel.: 846-00-11 w 683
e-mail [email protected]
Abstract
In this paper, the experimental method of active damping of piston engine exhaust gas pulsation is
presented. The investigation was carried out on running 3-cylinder DI Diesel engine (Perkins AD3.152 UR Type
3250) on test bench fitted with specially designed exhaust piping. The damping method consists in an active
control of flowing agent mass stream by means of injection of compressed air in synchronization to phenomenon
in duct, i.e. in counter-phase to the pulsation to be compensated. The method is in assumption destined for
damping of low-frequency pulsations in exhaust noise spectrum, whereas applying of classic resonance and
absorptive silencers is less effective.
WSTĉPNA OCENA MOĩLIWOĝCI AKTYWNEGO TàUMIENIA
PULSACJI CIĝNIENIA SPALIN W KOLEKTORZE WYDECHOWYM
SILNIKA WYSOKOPRĉĩNEGO METODĄ KONTROLOWANEGO
WTRYSKU POWIETRZA
Streszczenie
W artykule opisano eksperymentalną metodĊ aktywnego táumienia pulsacji spalin w ukáadzie wydechowym
silnika táokowego. Badania prowadzono na 3-cylindrowym silniku wysokoprĊĪnym Perkins AD3.152 UR typ
3250 na stoisku ze zmodernizowanym ukáadem odprowadzania spalin. Metoda aktywnego táumienia pulsacji
polegaáa na kontrolowanym wtrysku sprĊĪonego powietrza do strumienia spalin, zsynchronizowanym ze
zjawiskami zachodzącymi w przewodzie wydechowym badanego silnika.
1. Wprowadzenie
Celem pracy byáa eksperymentalna ocena moĪliwoĞci táumienia (bądĨ celowej deformacji)
fali ciĞnieniowej biegnącej w kanale metodą kontrolowanego wtrysku powietrza do
przepáywającego czynnika. Badania rozpoczĊto na stoisku modelowym (Rys. 1),
charakteryzującym siĊ geometrią odpowiadającą ukáadowi wydechowemu wybranego silnika
badawczego na stanowisku hamownianym. Po stwierdzeniu skutecznoĞci zaproponowanej
metody na stoisku modelowym rozpoczĊto badania na obiekcie rzeczywistym. Do badaĔ
wybrano 3-cylindrowy silnik wysokoprĊĪny AD3.152 UR Typ 3250 firmy Perkins, którego
podstawowe parametry techniczne i eksploatacyjne zamieszczono w Tablicy 1.
273
TabHOD 1. Parametry silnika badawczego
Table 1 Testing engine parameters
Marka
Perkins AD3.152 UR
Typ
3250
ĝrednica cylindra
91.48 mm
Skok táoka
127 mm
Liczba cylindrów
3
PojemnoĞü skokowa
2.502 dm3
Nominalna prĊdkoĞü obrotowa
2000 1/min
Moc maksymalna
28 kW
PrĊdkoĞü obrotowa maksymalnego momentu
1400 1/min
Maksymalny moment obrotowy
171 Nm
PrĊdkoĞü obrotowa biegu jaáowego
750 ±25 1/min
Pompa wtryskowa
DPA 3238 F510
Typ pompy wtryskowej
rozdzielaczowa
Rys. 1 Stoisko modelowe
Fig. 1 Laboratory stand
1. Stanowisko badawcze
Parametry pulsacji przepáywu spalin w rurze wydechowej silnika szacowano na podstawie
pomiaru dynamicznego ciĞnienia spalin. W tym celu dokonano modyfikacji ukáadu
wydechowego silnika, polegającej na odáączeniu kolektora wydechowego silnika od
standardowej instalacji odprowadzającej spaliny do komina i wprowadzeniu spalin do prostej
rury o Ğrednicy wewnĊtrznej I 71 mm i dáugoĞci caákowitej ok. 6,2 m. Gniazdo mocujące
274
czujnik ciĞnienia do rejestracji sygnaáu bazowego umieszczono w prostym odcinku rury, w
odlegáoĞci ok. 0.5 m od páaszczyzny jej áączenia z elastycznym fragmentem kolektora
wydechowego. Pomiarową rurĊ wydechową podzielono na dwa segmenty i zaopatrzono w
koánierze do mocowania segmentu zaworów binarnych, pokazanego na Rys. 2.
Rys. 2 Segment zaworków binarnych
Fig. 2 Binary valves assembly
Segment zaworków binarnych jest zasadniczym elementem zestawu sáuĪącym do realizacji
kontrolowanego wtrysku powietrza do strumienia spalin páynącego w kolektorze wydechowym.
Z uwagi na usytuowanie segmentu w torze wylotu gorących spalin silnikowych, zostaá on
wyposaĪony w kanaáy do cháodzenia wodnego. Zaworki binarne, umieszczone w specjalnych
komorach ciĞnieniowych, zasilane są powietrzem z hamownianej instalacji sprĊĪonego
powietrza a sygnaáy sterujące sekwencją otwarcia/zamkniĊcia wypracowywane są przez
specjalnie opracowany i wykonany moduá sterowania na podstawie rzeczywistego przebiegu
ciĞnienia pulsacji spalin (sygnaáu bazowego). Widok kompletnego zaworka, przygotowanego do
zainstalowania w gnieĨdzie segmentu zaworków, pokazano na Rys. 3.
Pomiary ciĞnienia spalin realizowano przy uĪyciu piezokwarcowych czujników firmy Kistler
Typ 7005, wspóápracujących ze wzmacniaczami áadunku Typ Kistler 5011. CzuáoĞü zestawu
pomiaru ciĞnienia ustalono eksperymentalnie na wartoĞü S = 0.05 bar/V. Z uwagi na wysoką
temperaturĊ medium, czujnik do pomiaru sygnaáu bazowego umieszczono w specjalnym
adapterze i zapewniono mu wymuszone cháodzenie wodne.
Rys. 3 Zaworek binarny gotowy do pracy
Fig. 3 Binary valve ready to operation
275
2. Algorytm aktywnego táumienia pulsacji
Przebieg ciĞnienia pulsacji w kanale wylotowym silnika ma charakter cykliczny, co w
naturalny sposób narzuca rozkáad sygnaáu na poszczególne skáadowe przy zastosowaniu analizy
fourierowskiej. Wyznaczenie gĊstoĞci widmowej mocy badanego sygnaáu pozwala na okreĞlenie
dominującej czĊstotliwoĞci pod wzglĊdem przenoszonej mocy. Sygnaá o takiej czĊstotliwoĞci
jest wykorzystywany jako przebieg wyjĞciowy do wysterowania sekwencji otwierania
zaworków.
Idea sterowania otwarciem/zamykaniem zaworka polega na tym, aby wtrysk powietrza do
strumienia spalin páynącego w kolektorze pomiarowym nastĊpowaá w czasie, gdy wartoĞü
ciĞnienia pulsacji osiąga wielkoĞci mniejsze od Ğredniej (dla uproszczenia, jeĞli byáby to sygnaá
sinusoidalny, wtrysk powietrza nastĊpowaáby w przedziale kątowym <ʌ, 2ʌ>).
3. Wyniki pomiarów
W celu zachowania moĪliwoĞci kontroli iloĞci powietrza wtryskiwanego do strumienia spalin
zdecydowano, Īe segment bĊdzie zasilany powietrzem o takim nadciĞnieniu, aby zagwarantowaü
krytyczny przepáyw przez dyszkĊ zaworka. WartoĞü tego nadciĞnienia, bĊdącą funkcją ciĞnienia
atmosferycznego, okreĞla siĊ z zaleĪnoĞci [1]
k
p*
po
poniewaĪ dla powietrza k
1.4 , stąd
p*
po
§ 2 · k 1
¨
¸ ,
© k 1¹
(1)
0.528 .
Dla tak wyznaczonego nadciĞnienia w komorze ciĞnieniowej okreĞlono przy pomocy
rotametru wydatek powietrza, który w przypadku otwartych piĊciu zaworków binarnych, wynosiá 4.2 m3/h (~5.0 kg/h)
Na podstawie standardowych pomiarów dokonanych na stanowisku badawczym okreĞlono
wydatek spalin dla badanego silnika. Minimalną wartoĞü wydatku spalin stwierdzono dla biegu
luzem, jednak ze wzglĊdu na niestabilną pracĊ silnika zdecydowano, Īe badanie bĊdzie prowadzone dla prĊdkoĞci obrotowej n = 900 1/min, dla której wartoĞü wydatku spalin osiąga wartoĞü
35.6 kg/h.
W trakcie badaĔ mierzono i rejestrowano nastĊpujące wielkoĞci fizyczne:
ciĞnienie pulsacji spalin psp0 przed segmentem zaworków (sygnaá bazowy do wysterowania
sekwencji otwarcia/zamkniĊcia zaworków), przy uĪyciu czujnika Kistler 5011,
napiĊcie sterujące Us podawane na sterowniki zaworków binarnych,
ciĞnienie w komorze ciĞnieniowej pkz zaworka binarnego, przy uĪyciu przetwornika ciĞnienia
absolutnego firmy Kulite,
ciĞnienie pulsacji spalin pspw za segmentem zaworków (przebieg wynikowy), przy uĪyciu
czujnika Kistler 5011.
Widma mocy ciĞnienia pulsacji przed i za segmentem zaworków oraz ich korelacjĊ
czasową dla jednego z pomiarów pokazano na Rys. 4.
Na Rys. 5, 6, i 7 pokazano sygnaáy zarejestrowane dla czasów otwarcia zaworków binarnych
to wynoszących odpowiednio: 3 ms, 10 ms i 20 ms.
276
5
2
12JUL00.svn
x 10
PS psp0
1.5
1
0.5
0
PS pspw
15
0
4
x 10
50
100
0
50
100
150
200
250
150
200
250
10
5
0
f [Hz]
1
XCF
0.5
0
-0.5
-1
-80
-60
-40
-20
0
Lag
20
40
60
80
Rys. 4 Przykáadowe widma mocy sygnaáów pulsacji i ich korelacja wzajemna
Fig. 4 Power spectra of pulsation signals and their cross-correlation
11JUL00.svn
Psp0 [mbar]
50
0
-50
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Us [V]
1
0.5
0
-0.5
Pkz [mbar]
10
0
-10
-20
Pspw [mbar]
100
0
-100
t [s]
Rys. 5 Nagranie dla to = 3 ms
Fig. 5 Records for to = 3 ms
277
11JUL02.svn
Psp0 [mbar]
50
0
-50
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
1
Us [V]
0.5
0
-0.5
Pkz [mbar]
20
0
-20
-40
Pspw [mbar]
100
0
-100
t [s]
Rys. 6 Nagranie dla to = 10 ms
Fig. 6 Records for to = 10 ms
11JUL03.svn
Psp0 [mbar]
50
0
-50
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Us [V]
1
0
-1
Pkz [mbar]
20
0
-20
-40
Pspw [mbar]
50
0
-50
-100
t [s]
Rys. 7 Nagranie dla to = 20 ms
Fig. 7 Records for to = 20 ms
278
Na Rys. 8 pokazano nagranie dla ns = 1140 1/min, M = 0 Nm i to = 20 ms, zaĞ na Rys. 9 –
nagranie dla M = 50 Nm i to = 30 ms.
11JUL09.svn
Psp0 [mbar]
50
0
-50
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Us [V]
1
0
-1
Pkz [mbar]
40
20
0
-20
Pspw [mbar]
100
0
-100
t [s]
Rys. 8 Nagranie dla ns = 1140 1/min, M = 0 Nm i to = 20 ms
Fig. 8 Records for 1140 1/min / 0 Nm and to = 20 ms
11JUL13.svn
Psp0 [mbar]
50
0
-50
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Us [V ]
0.5
0
-0.5
-1
Pkz [mbar]
20
10
0
-10
Pspw [mbar]
50
0
-50
t [s]
Rys. 9 Nagranie dla ns = 1140 1/min, M = 50 Nm i to = 30 ms
Fig. 9 Records for 1140 1/min / 50 Nm and to = 30 ms
279
4. Podsumowanie
Analiza przebiegów ciĞnienia spalin za segmentem zaworków pokazuje, Īe zastosowana
metoda aktywnego táumienia pulsacji ciĞnienia daje pozytywne efekty w postaci zmiany widma
gĊstoĞci mocy sygnaáu. Stosunkowo niewielkie efekty ingerencji w przebieg ciĞnienia w
kolektorze spowodowane są przede wszystkim niedopasowaniem energetycznym sygnaáu
zakáócającego (wydatek rzĊdu 3 kg/h) do sygnaáu zakáócanego (~36 kg/h). Dodatkowym atutem
byáoby obciąĪenie silnika nawet niewielkim momentem obrotowym, co spowoduje stabilizacjĊ
ciĞnieĔ przed i za segmentem zaworków binarnych. Jednak speánienie powyĪszych wymagaĔ w
opisanej konfiguracji stoiska badawczego nie jest moĪliwe.
Opisane w artykule prace eksperymentalne obrazują pewną fazĊ badaĔ realizowanych w
ramach projektu badawczego KBN, zatytuáowanego „Badanie aktywnych metod táumienia
pulsacji przepáywu w kanaáach w zastosowaniu do ukáadu wydechowego táokowego silnika
spalinowego”. Zdobyte doĞwiadczenia zaowocują zmianą perspektywy widzenia problemu
aktywnego táumienia pulsacji i dadzą asumpt do zastosowania innego elementu
wykonawczego, pozwalającego na uzyskanie odpowiednio wiĊkszych wydatków
wtryskiwanego powietrza.
Literatura
[1] Jungowski: i in. „Zbiór zadaĔ z dynamiki gazów”
280